Die Technologie des 3D-Drucks, manchmal auch als additive Fertigung bezeichnet, hat seit ihren Anfängen in den 1980er Jahren grosse Fortschritte gemacht. 3D-Druck war ursprünglich zum Rapid Prototyping gedacht. Durch technologische Fortentwicklung hat es sich auch in anderen Bereichen durchgesetzt. Automobilbau, Architektur, Ingenieurwesen, Bauwesen (AEC), Industriedesign, Bildungswesen, Zahnmedizin, Medizin, Militär, Luft- und Raumfahrt, Mode, Brillen, Kunst und Schmuck, Lebensmittel und viele andere Bereiche nutzen die Technologie der additiven Fertigung sowohl für das Prototyping als auch für die verteilte Fertigung.
Heute werden wir einige Anwendungen des 3D-Drucks vorstellen, indem wir Lösungen für Forscher, Pädagogen und Ingenieurstudenten präsentieren, die Vorteile des 3D-Drucks hervorheben und seine häufigste Verwendung beschreiben.
Additive Fertigung und zugehörige Terminologie
Der Begriff “additive Fertigung” (AM) bezieht sich auf einen dreidimensionalen festen Gegenstand von nahezu beliebiger Form, der aus einem digitalen Modell hergestellt werden kann. Dabei werden dünne Schichten aus flüssigem oder pulverförmigem Kunststoff oder Metall aufgetragen und dann miteinander verbunden, um ein Objekt zu schaffen.
Ein weiterer Begriff im Zusammenhang mit der additiven Fertigung ist “3D-Druck-Prototyping”. Wie bereits in der Einleitung erwähnt, wird es auch als Rapid Prototyping bezeichnet und ist ein Prozess, bei dem verschiedene Teile aus mehreren Materialschichten hergestellt werden. Das 3D-Drucken von Prototypen ist eine einfache, schnelle und erschwingliche Methode zur Herstellung von Produkten.
Im Jahr 2015 wurde die ISO/ASTM 52900-Norm geschaffen, um die Terminologie der additiven Fertigungstechnologie (AM) zu definieren, die das Prinzip der additiven Formgebung anwendet und die Konstruktion realer, dreidimensionaler Geometrien durch schrittweise Zugabe von Material ermöglicht. Weitere Informationen über die Grundlagen und das Vokabular finden Sie hier.
7 Arten von 3D-Drucktechnologie
Wenn Sie neu in der Welt der 3D-Drucktechnologie sind, ist es wichtig, dass Sie sich über die verfügbaren Verfahren und Materialien informieren. Es gibt verschiedene 3D-Druckverfahren für die Erstellung von 3D-Strukturen und -Objekten, von denen einige beliebter sind als andere.
- Stereolithographie (SLA)
- Fused Deposition Modeling (FDM)
- Selektives Laser-Sintern (SLS)
- Digitale Lichtverarbeitung (DLP)
- Selektives Laserschmelzen (SLM)
- Elektronenstrahlschmelzen (EBM)
- Herstellung laminierter Objekte (LOM)
Stereolithographie
SLA ist eines der ältesten Verfahren des 3D-Drucks, das 1986 von Chuck Hull erfunden wurde. Es ist eine perfekte Methode für Maschinenbauingenieure, die überprüfen wollen, ob ein Teil in ihren Entwurf passt. Die Stereolithografie ist jedoch nicht nur für Ingenieure nützlich; wenn Sie einen Kunststoffprototyp eines Projekts drucken möchten, ist dies ebenfalls eine hervorragende Technik.
Wie funktioniert ein SLA-Drucker? SLA-Drucker funktionieren nicht wie normale Desktop-Drucker. Sie arbeiten mit einem Überschuss an flüssigem Kunststoff, der sich nach dem Aushärten und Formen zu einem festen Gegenstand formt. Der Laserstrahl tastet auf jeder Ebene die erforderlichen Stellen ab. Sobald eine Materialschicht verfestigt ist, senkt sich die Bauplattform minimal ab und eine weitere Ebene kann gelasert werden. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis alle notwendigen Schichten zur Bildung des finalen Objektes abgedeckt sind. Ein galvanometrischer Spiegel, auch Galvanometer oder Galvo genannt, lenkt den Laserstahl in X- und Y-Richtung.
Fused Deposition Modeling (FDM)
Fused Deposition Modeling (FDM) ist derzeit die beliebteste 3D-Drucktechnologie. Mit dieser Technologie lassen sich sowohl funktionsfähige Prototypen als auch Verbraucherprodukte wie Kunststoffgetriebe, Wildwasserkanus, Lego-Steine usw. drucken.
Der FDM-Drucker schmilzt thermoplastische Filamente wie ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) und PLA (Polymilchsäure) und trägt sie mit Hilfe von beheizten Düsen Schicht für Schicht auf eine Bauplattform auf. Bis das Teil fertig ist, wird eine Schicht nach der anderen aufgetragen. Neben Thermoplasten kann es auch Stützmaterialien extrudieren. Sie ist in gewisser Weise der Stereolithografie ähnlich.
Selektives Laser-Sintern (SLS)
SLS ist eine 3D-Technologie, bei der Polymerpulverpartikel mit einem Hochleistungslaser auf ein 3D-Modell gesintert werden, um eine feste Struktur zu erzeugen. Aufgrund der niedrigen Kosten pro Teil und der Designfreiheit (SLS erfordert keine Stützstrukturen, da das ungesinterte Pulver die Komponenten während des Drucks umhüllt) wird es von Herstellern und Ingenieuren häufig eingesetzt.
SLS-3D-Drucker helfen bei der Herstellung komplexer Geometrien, die mit herkömmlichen Verfahren nur schwer oder gar nicht herzustellen sind, wie z. B. bewegliche Teile, ineinandergreifende Teile, Teile mit inneren Kanälen, etc. Das SLS-Verfahren eignet sich für verschiedene Anwendungen, z. B. für die Herstellung von Einzelstücken, Brücken oder Kleinserien sowie für das schnelle SLS-Prototyping.
Digitale Lichtverarbeitung (DLP)
Larry Hornbeck von Texas Instruments entwickelte DLP im Jahr 1987. Es ist ein weiteres 3D-Druckverfahren, das der Stereolithografie ähnelt, aber schnellere Druckzeiten als SLA bietet. Sowohl DLP als auch SLA funktionieren jedoch mit Fotopolymeren. Die digitale Lichtverarbeitungstechnologie, bei der digitale Mikrospiegel auf dem Halbleiterchip zum Einsatz kommen, ist in 3D-Druckern, Mobiltelefonen und Filmprojektoren weit verbreitet. Mit dem DLP-Druck lassen sich unglaublich detaillierte Kunstharzobjekte drucken, darunter Spielzeug, Schmuckformen, Dentalanwendungen, Verzierungen, Figuren, Verstärker und andere Objekte mit präzisen Details.
Selektives Laserschmelzen (SLM)
Selektives Laserschmelzen (SLM) ist eine Metall-Drucktechnik, die 1995 von dem deutschen Wissenschaftler Wilhelm Meiners entwickelt wurde. Beim SLM / SLS werden metallische Pulver schichtweise zu einem einheitlichen Festkörper verschmolzen. Ein punktgenauer Laser mit dehr hoher Leistungsdichte liefert die Schmelzenergie.
Elektronenstrahlschmelzen(EBM)
EBM ist eine Art der additiven Fertigung, bei der Metallteile hergestellt werden. Aufgrund des schnelleren Druckverfahrens wird es häufig als schnelles Produktionsverfahren eingestuft. Das schichtweise Elektronenstrahl-Sintern muss im Hochvakuum geschehen. Das Metallpulver wird mit einem gebündelten, hochenergetischen Elektronenstrahl geschmolzen. Das Elektronenstrahlschmelzen ähnelt dem selektiven Laserschmelzen, da beide aus Pulver drucken, aber beim EBM wird ein Elektronenstrahl statt eines Lasers verwendet.
Die EBM-3D-Drucker verfügen über einen Pulverbehälter, einen Pulverförderer, einen Pulverbeschichter, eine Elektronenstrahl-Energiequelle und eine beheizte Bauplattform. Das Druckverfahren muss im Vakuum stattfinden, weil andernfalls die Gasatmosphäre den gebündelten Elektronenstrahl sofort auffächern würde.
Herstellung laminierter Objekte (LOM)
LOM ist eine kostengünstige Methode zum 3D-Druck von Objekten aus verschiedenen Arten und Materialien, etwa Papier, Polymer und Metall. Je nach Material wechselt die anzuwendende Methode, um die Materialschichten miteinander zu verbinden. Diese Art der additiven Fertigung wurde von Helisys Inc. (jetzt Cubic Technologies) entwickelt. Diese Methode ist weniger populär als die oben genannten, dürfte aber an Beliebtheit gewinnen, da sie effizient, kostengünstig und schnell ist. Wie funktioniert das? Bei der LOM-Technologie wird das geschichtete Material auf der Bauplattform (3D-Druckerbett) gerollt. In der Regel ist der Stoff mit einer Klebeschicht versehen, die schmilzt, wenn die Einzugswalze erhitzt wird. Die folgende Schicht wird dann an die vorhergehende angehängt.
Die industriellen Anwendungen der additiven Fertigung
Immer mehr Unternehmen und Branchen machen vom 3D-Druck Gebrauch und entwickeln neue Geschäftsmodelle und Möglichkeiten.
Laut der Grand View Research wird der Markt für 3D-Druck von 2022 bis 2030 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 20,8 % wachsen, ausgehend von 13,84 Milliarden Dollar im Jahr 2021. im Jahr 2021 wurden weltweit 2,2 Millionen 3D-Drucker ausgeliefert, und bis 2030 wird mit 21,5 Millionen Geräten gerechnet.
Luft- und Raumfahrt & Militärtechnik
Die Unternehmen der Luft- und Raumfahrt- sowie der Rüstungsindustrie (A&D) gehörten zu den ersten, die die additive Fertigung eingeführt haben. Viele wichtige Hersteller wie GE, Airbus, Boeing und Safran profitieren vom 3D-Druck, da der Hauptnutzen dieser Technologie in der Luft- und Raumfahrtindustrie in der Gewichtsreduzierung liegt, was sich sehr positiv auf die Nutzlast, die Treibstoffeffizienz und die Kohlendioxidemissionen auswirkt.
Konstrukteure können robuste Materialien und konsolidierte Komponenten erstellen, was besonders in der Luft- und Raumfahrtindustrie wichtig ist. Mit dem 3D-Druck lassen sich nützliche Teile für Flugzeuge entwerfen, z. B. Wandpaneele, Luftkanäle und strukturelle Metallkomponenten.
Auch Drohnen für das Militär können, mit Ausnahme der elektronischen Teile, additiv gefertigt werden. Die 3D-Modelle erleichtern die Herstellung von Zubehör wie Koffern, Abdeckungen, Halterungen und Boostern, die eine ordnungsgemässe Aufbewahrung der Drohne ermöglichen. Darüber hinaus wird der 3D-Metalldruck für die Reparatur von Luft- und Raumfahrt- sowie Militärausrüstung eingesetzt.
Automotive
Die Automobilindustrie benötigt leichte Komponenten und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen raue Umgebungsbedingungen, um den Fahrkomfort zu verbessern und die Fahrzeuge für unterschiedliche Umweltbedingungen zu rüsten. Zum Beispiel entwickelte Porsche eine innovative 3D-Drucktechnologie für Schalensitze, bei dem die Kunden zwischen drei Härtegraden für die Komfortschicht während der Fahrt wählen können. Neben der ergonomischen Passform bieten die Sitze ein geringeres Gewicht, ein einzigartiges Design, verbesserten Komfort und passive Klimakontrolle, da der 3D-gedruckte Bodyform-Vollschalensitz” auf der Leichtbauweise basiert.
Die additive Fertigung bietet eine grosse Auswahl an robusten, hochtemperaturbeständigen Materialien und Verfahren sowie die Möglichkeit, extrem komplizierte Formen zu konstruieren. Unternehmen nutzen es u. a. zum Testen verschiedener Designvarianten und zur Herstellung kundenspezifischer Teile. Die additive Fertigung wird auch für die Restaurierung von Oldtimern und die Nachfertigung von Ersatzteilen verwendet.
Gesundheitswesen und Medizin
Der 3D-Druck wird sehr häufig in der Medizin und der Zahnmedizin eingesetzt, z. B. beim Bioprinting von Geweben und Organen, bei anatomischen Modellen für die chirurgische Vorbereitung und in der Zahnmedizin bei Kronen- und Brückenmodellen. Es besteht die Chance, dass der 3D-Druck zur wichtigsten Technologie in der Dentalproduktion wird. Medizinische Hersteller verwenden eine Vielzahl starrer, flexibler, undurchsichtiger und transparenter 3D-Druckmaterialien, um Designs zu erstellen, die individueller als je zuvor sind. Vor allem aber können Implantate und zahnmedizinische Geräte mit Hilfe des 3D-Drucks patientenspezifisch hergestellt werden.
Während menschliche Gliedmassen oder Organe derzeit nicht in 3D gedruckt werden können, kann künstliches lebendes Gewebe, das echtem Gewebe ähnelt, mit Hilfe der 3D-Drucktechnologie hergestellt werden. Laut Nature Biotechnology haben Fortschritte wie das 3D-Bioprinting es möglich gemacht, komplizierte, funktionierende lebende 3D-Gewebe durch 3D-Druck mit biokompatiblen Materialien, Zellen und Hilfskomponenten herzustellen. Das bedeutet, dass Strukturen wie Knochen, Haut oder Organe durch 3D-Bioprinting hergestellt werden können.
Konsumgüter
Der Konsumgütersektor hat die Vorteile des 3D-Drucks für Produktdesign und -entwicklung längst erkannt. Die Vielfalt der Anwendungen für den 3D-Druck entspricht den Bedürfnissen der Verbraucher. Einige der Anwendungen betreffen Sport-, Freizeit- und Lifestyle-Produkte, wie Schuhe und Brillen. Andere sind kleine Gegenstände wie Schmuck, Kinderspielzeug und Reparaturen für so ziemlich alles, was kaputt geht. Auch Häuser und Autos werden auf wirtschaftliche und nachhaltige Weise damit gebaut, denn wenn man Häuser am Computer mit einem 3D-Drucker entwirft, weiss man genau, wie viele Materialien man für den Bau eines Hauses braucht.
Weitere Anwendungen
Natürlich wird der 3D-Druck noch in anderen Bereichen verwendet, wie zum Beispiel LiDAR, GIS oder AI.
So können beispielsweise 3D-Druck und geografische Informationssysteme (GIS) die visuellen Möglichkeiten für Unterrichtszwecke verbessern. GIS bezeichnet ein System zur Erfassung, Verwaltung und Analyse räumlicher Daten und bildet die Basis von Karten- und Navigationsanwendungen (3D-Mapping), die dem Nutzer helfen, seinen Standort zu bestimmen. Schüler können damit in grundlegende GIS- und geografische Konzepte einbezogen werden, einschliesslich Kartierung, Projektion und Topologie. Die 3D-Mapping-Technologie ermöglicht es, mithilfe von Algorithmen des maschinellen Lernens ein Profil von Objekten zu erstellen und ein dreidimensionales Modell davon zu erzeugen, das auf die reale Umgebung abgebildet werden kann.
Seit kurzem ist das 3D-Scannen auch in Smartphones zu finden. Mit LIDAR, einer Fernerkundungsmethode zur Untersuchung der Erdoberfläche, können mobile Geräte Augmented-Reality-Anwendungen (AR) mit wesentlich höherer Genauigkeit ausführen. Dank der LiDAR-Implementierung in Smartphones kann ein Kunde, der eine Augmented-Reality-App für die Inneneinrichtung nutzt, die Möbel im Sichtfeld der Kamera visualisieren und “positionieren”, so dass er weiss, wie die Möbel in seiner Wohnung aussehen werden (siehe Bild unten).
Vorteile des 3D-Drucks
Der 3D-Druck ermöglicht den einfachen Prototypenbau, um Objekte vor Beginn der Serienfertigung im Echtbetrieb zu testen. Der Hauptvorteil besteht also darin, dass die Verbraucher die meisten Waren am Computer entwerfen und zu Hause “herstellen” können. Die Liste der Vorteile ist jedoch noch etwas länger.
Die grössten Vorteile der additiven Fertigung:
- Reduzierung von Kosten und Produktionszeit
- Weniger Abfall
- Fehlerreduzierung
- Fortschritte im Gesundheitswesen
- Herstellung komplexer Teile aus fortschrittlichen Materialien
- Einfacher Zugang
- Flexible Gestaltung
- Druck auf Anfrage
- Umweltfreundlich
3D-Druck als innovative Technologie
Immer mehr Unternehmen setzen statt auf traditionelle Fertigungsmethod en auf das 3D-Druckverfahren, vor allem wenn es um intelligente Lösungen und digitale Fertigung geht. Mittlerweile wird das Verfahren in fast allen Branchen genutzt. Die steigende Beliebtheit führt dazu, dass sich manche Leute fragen, ob die additive Fertigung die traditionellen Verfahren irgendwann ersetzen wird.
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